Isolated Copper Atoms Boost *NO3 Adsorption and Active Hydrogen Retention over Zinc Oxide for Ammonia Electrosynthesis at Ampere-Level Current Densities

化学 电合成 无机化学 吸附 氧化物 电化学 电极 物理化学 有机化学
作者
Zhipeng Chen,Yusi Zhao,Haoran Huang,Gen Liu,Hongna Zhang,Yan Yan,Hongliang Li,Licheng Liu,Mingkai Liu,Dingsheng Wang,Jie Zeng
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.5c01863
摘要

The use of renewable electricity to drive the electroreduction of nitrate to ammonia can simultaneously achieve the green synthesis of ammonia and alleviate the environmental pollution of nitrate. However, the industrial requirement for ammonia synthesis with ampere-level current densities remains a grand challenge. In addition, the electroreduction of nitrate to ammonia reaction requires multiple steps of deoxygenation and hydrogenation of *NO3 intermediates. Therefore, it is urgent to clarify the relationship between the adsorption strength of *NO3/*H (active hydrogen) intermediates and the catalytic activity. Herein, we achieved highly selective ammonia electrosynthesis at ampere-level current densities by anchoring atomically dispersed copper atoms on zinc oxide (ZnO) nanospheres (Cu1/ZnO). The synthesized Cu1/ZnO delivers a high NH3 yield rate of 184.7 mg h-1 cm-2 with an NH3 Faradaic efficiency of 96.1% and an NH3 partial current density of 2.23 A cm-2 in a flow cell. Based on mechanistic studies, anchoring Cu single atoms over ZnO enhances the adsorption of the *NO3 intermediate and the retention of *H generated by water dissociation, resulting in the decreased energy barrier of the rate-determining step of *NO-to-*NHO.
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